工程仿生在農(nóng)業(yè)機(jī)械減阻技術(shù)的應(yīng)用

摘要： 隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生學(xué)的各項(xiàng)研究成果也得到了廣泛應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣過(guò)程中，使用的過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)大阻力是制約其良性快速發(fā)展的主要原因。而基于昆蟲脫附減阻規(guī)律與食蟲植物捕食現(xiàn)象的仿生學(xué)研究及其成果的應(yīng)用能使農(nóng)業(yè)機(jī)械減阻技術(shù)得到很好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工程仿生；農(nóng)業(yè)機(jī)械；減阻技術(shù) ；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.23.018

仿生學(xué)是在20世紀(jì)60年代開(kāi)始形成并出現(xiàn)的一門新型學(xué)科，是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起互相滲透而孕育出的新生科學(xué)，仿生學(xué)是人類模仿生物功能進(jìn)行發(fā)明、創(chuàng)造技術(shù)結(jié)構(gòu)的科學(xué)，其研究的是如何把生物體具有的功能或結(jié)構(gòu)以及工作原理等，移植到工程實(shí)用技術(shù)中。當(dāng)前全球范圍內(nèi)石油能源的消耗在急劇增加，引發(fā)了溫室氣體的排放迅速增加，氣候變暖問(wèn)題已日益嚴(yán)峻。農(nóng)業(yè)機(jī)械在各種能耗機(jī)械中占據(jù)絕大部分份額，根據(jù)調(diào)查我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械消耗的柴油量約占總量的30%，而且我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的起步還較晚，只是在近些年才有了一些發(fā)展，而隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)方式的發(fā)展以及大量農(nóng)機(jī)的使用，能源的消耗勢(shì)必會(huì)逐漸增加，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的機(jī)械上實(shí)施節(jié)能減排，有利于緩解我國(guó)的資源和環(huán)境壓力。

1在農(nóng)業(yè)機(jī)械減阻技術(shù)上應(yīng)用工程仿生的原因

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物的耕種和病蟲害的防治是最關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)。在使用農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行農(nóng)作物耕種的過(guò)程中，當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)施作業(yè)時(shí)不可避免會(huì)使耕種類機(jī)械上的部件與土壤產(chǎn)生直接接觸，進(jìn)而產(chǎn)生出因接觸而發(fā)生的黏附力，不僅會(huì)使土壤黏附于觸土部件的表面產(chǎn)生積留，還會(huì)因此增加機(jī)械作業(yè)的阻力，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率、質(zhì)量及機(jī)械的使用壽命，而最重要的還是會(huì)因此增加農(nóng)業(yè)機(jī)械的能源消耗。如果可以把仿生技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)中來(lái)，例如分析、利用蜣螂腹部的紋理特征（這種生物特征能夠在一定程度上減小土壤的粘附作用和摩擦力）進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，就能使農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)有效減少作業(yè)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力（能源消耗），也能提高機(jī)械的使用壽命。

另外一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)——病蟲害防治，同時(shí)有對(duì)仿生技術(shù)的需求，這是因?yàn)樵谑褂梅律夹g(shù)前進(jìn)行病蟲害防治時(shí)主要使用的手段是噴施農(nóng)藥，但這種方法在實(shí)現(xiàn)快速滅殺病蟲害的同時(shí)會(huì)造成土壤、產(chǎn)品以及生態(tài)環(huán)境中農(nóng)藥成份的殘留、積淀，嚴(yán)重破壞農(nóng)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)平衡，威脅環(huán)境及人們的健康。這時(shí)如果可以仿生自然界中蝗蟲的機(jī)械化滑移捕集功能則能很好地克服上面這種情況的發(fā)生。該仿生技術(shù)是通過(guò)模仿蝗蟲的生物功能制造出具有良好滑移功能的捕集滑板，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蝗蟲或其他類別昆蟲的捕集。這樣的操作不僅能實(shí)現(xiàn)有效地蟲害防治，還不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。所以不管從哪方面出發(fā)考慮，仿生技術(shù)的應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)都具有十分重要的意義。

2 仿生技術(shù)的發(fā)展概況

由于仿生學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)就是以模仿生物結(jié)構(gòu)、功能方面的基本原理來(lái)制作新的或者改進(jìn)舊的機(jī)構(gòu)、儀器、建筑等，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)是處于在生物學(xué)與技術(shù)科學(xué)間發(fā)展起來(lái)的邊緣類學(xué)科。仿生學(xué)研究、學(xué)習(xí)各類生物的多樣化能力，研究作用機(jī)制，并把這作為開(kāi)展技術(shù)設(shè)計(jì)的路徑。仿生學(xué)的出現(xiàn)使生物學(xué)、生理學(xué)、神經(jīng)學(xué)及計(jì)算機(jī)、通訊等多種工程技術(shù)科學(xué)得以緊密聯(lián)系起來(lái)，所以仿生技術(shù)就是根據(jù)生物結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞過(guò)程而對(duì)現(xiàn)有機(jī)械、儀器、工藝過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器和工藝過(guò)程的技術(shù)。

3工程仿生在農(nóng)業(yè)機(jī)械減阻技術(shù)方面的應(yīng)用和展望

自仿生學(xué)誕生以來(lái)，仿生技術(shù)就得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是近些年，很多國(guó)家都在加大在生物、物理、化學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域的仿生學(xué)研究，并投入大量人力、物力，獲得了驚人的進(jìn)展。仿生學(xué)的很多研究成果經(jīng)實(shí)踐證明也確實(shí)對(duì)解決農(nóng)作物耕種過(guò)程中存在的土壤阻力和農(nóng)作物病蟲害防治有很明顯的效果。

在自然界中，動(dòng)物（包括昆蟲）在數(shù)億萬(wàn)年的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)化后，逐漸形成了自身獨(dú)具特色卻又高度適應(yīng)環(huán)境的生理特性（如幾何體形結(jié)構(gòu)、表面非光滑織結(jié)構(gòu)等），并在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、靈活性和對(duì)能量的高效利用方面表現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的特性。例如，在土壤中生存的動(dòng)物體，體表普遍都會(huì)表現(xiàn)出幾何非光滑特征，即以一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)或規(guī)律地分布于體表的某些部位（結(jié)構(gòu)單元有鱗片形、凸包形、凹坑形、波紋形等），當(dāng)這些非光滑體表在與土壤進(jìn)行接觸時(shí)會(huì)相互作用產(chǎn)生微振效應(yīng)或水膜不連續(xù)效應(yīng)或界面空氣膜效應(yīng)等，這些效應(yīng)會(huì)使粘附面產(chǎn)生一定頻率振幅的微動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減少與土壤的接觸面積和時(shí)間，從而能減小土壤與動(dòng)物非光滑體表的粘附力和摩擦力。所以通過(guò)仿生技術(shù)的研究把這一反應(yīng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，能很好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)遇到的土壤阻力問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)有效作業(yè)的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用工程仿生就是從仿生學(xué)研究的視角出發(fā)，在對(duì)動(dòng)植物的生理結(jié)構(gòu)、功能特性及其所包含的物質(zhì)、能量、信息等方面分析、探索的基礎(chǔ)上，研究出如何把生物功能有效嫁接到農(nóng)業(yè)機(jī)械的制造、設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的減阻、脫附、耐磨。

4結(jié)語(yǔ)

把工程仿生技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域能有效解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的作業(yè)效率低、能源消耗大的問(wèn)題，而且通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械的改進(jìn)及應(yīng)用又能最大限度地實(shí)踐工程仿生技術(shù)的有效性，所以也會(huì)不可避免地推動(dòng)工程仿生技術(shù)的發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：季祥，中專學(xué)歷，梨樹(shù)縣農(nóng)機(jī)學(xué)校，助理工程師，研究方向：農(nóng)機(jī)工程。